專利名稱：檢測網(wǎng)絡上的操作頻率中的噪聲的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種網(wǎng)絡和該網(wǎng)絡上的信號。具體地，本發(fā)明涉及檢測通 信網(wǎng)絡的操作頻率中的噪聲。
背景技術(shù)：
在典型的工業(yè)工廠中，分布控制系統(tǒng)(DCS)用于控制在工廠處執(zhí)行 的多個工業(yè)過程。典型地，該工廠具有集中控制間，集中控制間具有計算 機系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)具有用戶輸入/輸出(1/0)，盤工/0，以及計算領域中熟知的其他外圍設備。耦合至計算系統(tǒng)的是控制器和處理i/o子系統(tǒng)。處理I/0子系統(tǒng)包括I/0端口，該I/0端口連接至遍布工廠的各個現(xiàn)場 裝置。現(xiàn)場裝置包括各種類型的分析設備，硅壓力傳感器，電容性壓力傳 感器，電阻性溫度檢測器，熱電偶，應變計，限位開關(guān)，接通/斷開開關(guān)， 流量變送器，壓力變送器，電容電平開關(guān)，磅秤(weigh scale),換能器， 閥定位器，閥控制器，致動器，螺線管以及指示燈。術(shù)語"現(xiàn)場裝置"包 括這些裝置，以及執(zhí)行分布控制系統(tǒng)中的功能的任何其他裝置?，F(xiàn)場總線是旨在用于連接場設備和比如分布控制系統(tǒng)中的監(jiān)測和仿 真單元的其他過程裝置的多站式(multi-dr叩)串行數(shù)字雙向通信協(xié)議?，F(xiàn)場總線允許比先前的過程控制回路方法增強的數(shù)字通信，同時保持用以 向耦合至現(xiàn)場總線回路的過程裝置供電的能力，以及同時滿足固有安全性 要求。兩個合理標準化的工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議是Foundation Fieldbus和 Profibus。由美國儀表協(xié)會(ISA)標準的ANSI/ISA-50. 02-1992，以及它 的草案二延伸(1995)定義了現(xiàn)場總線協(xié)議的物理層?，F(xiàn)場總線協(xié)議定義 兩個子協(xié)議。Hl現(xiàn)場總線網(wǎng)絡以高達每秒31.25千比特(Kbps)的速率傳 輸數(shù)據(jù)，并且向耦合至網(wǎng)絡的現(xiàn)場裝置供電。1992年9月批準的ISA標準的 部分2的11款定義了該H1物理層子協(xié)議。H2現(xiàn)場總線網(wǎng)絡以高達每秒2. 5兆比特(Mbps)的速率傳輸數(shù)據(jù)，不向與網(wǎng)絡相連的現(xiàn)場裝置供電，并且 具有冗余傳輸介質(zhì)。
現(xiàn)場總線網(wǎng)絡常常與大的電動機、過程設備和工廠設備關(guān)聯(lián)地使用。 有時，電動機或設備的啟動引起通信介質(zhì)的操作頻率中的噪聲突發(fā)
(burst)。該噪聲突發(fā)可能引起被破壞的消息，并且極端地，可能導致與 網(wǎng)絡裝置失去通信。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及檢測通信介質(zhì)的操作頻率中的噪聲。針對被破壞的消息， 監(jiān)測通信介質(zhì)上的信息。當被破壞的消息的個數(shù)達到被破壞消息閾值時， 產(chǎn)生噪聲檢測信號。


圖l是過程控制系統(tǒng)的示意圖，該過程控制系統(tǒng)通過通信介質(zhì)分段和 相連的診斷工具而在裝置之間進行數(shù)字通信。
圖2示出了用于在圖l的過程控制系統(tǒng)的裝置之間進行通信的消息格式。
圖3是在圖1中示出的診斷工具的體系結(jié)構(gòu)的框圖。 圖4是依據(jù)本發(fā)明用于檢測網(wǎng)絡上的操作頻率中的噪聲的方法的流程
具體實施例方式
過程控制系統(tǒng)綜述
現(xiàn)場總線(Fieldbus)物理層定義了以物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Physical Layer Protocol Data Unit) (PhPDU)的形式來發(fā)送和接收通信協(xié)議數(shù)據(jù) 的物理手段的電特性。此外，現(xiàn)場總線物理層規(guī)定了符號編碼，消息成幀
(framing)以及檢錯方法。ISA現(xiàn)場總線標準定義了三個信令速度和兩 個耦合模式。為了該描述，將在以ISA標準ANSI/ISA-50.02， Part2-1992 的條款11定義的HI物理層的上下文中描述過程控制系統(tǒng)。該條款覆蓋 31.25kbps，電壓模式，導線介質(zhì)，以及低功率選項。該選項允許連接至通信介質(zhì)的裝置從該通信介質(zhì)接收其操作功率。該物理層能夠滿足對于危 險環(huán)境的固有安全要求。依據(jù)該標準限定的電壓和電流限度，該協(xié)議在低 級雙絞線電纜上工作，并且支持多個裝置。圖l示出了典型的過程控制系統(tǒng)10，包括分段12，電源14和五個裝置鏈路有效調(diào)度器(Link Active Scheduler) (LAS) 20，鏈路主控機(Link Master) (LM) 22，以及基礎 裝置24、 26和28。圖1還示出了連接至分段12的診斷工具29。該分段 12可以在單對導線上支持多達三十二個裝置。典型地，根據(jù)回路執(zhí)行速度， 功率和固有安全要求，分段12具有從四至十六個的裝置。LAS 20維持對分段12上的裝置之間的全部通信的中央調(diào)度。通過發(fā) 送強迫數(shù)據(jù)(Compel Data) (CD)數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元(DLPDUs)至每 一個裝置，以便傳回循環(huán)數(shù)據(jù)(該數(shù)據(jù)之后被調(diào)度)，LAS 20提高了整體 通信可靠性。LAS 20充當分段12上的數(shù)據(jù)鏈路時間(DL-時間)的本地 源。DLPDU是在分段12上通信的PhPDU消息的數(shù)據(jù)內(nèi)容。LM裝置22被配置為在LAS 20出現(xiàn)故障或變得不能工作時接管LAS 20 的職責。盡管在圖1中僅示出LM裝置22，然而在分段上可以存在多于一 個的鏈路主控機裝置。這考慮到如下情況如果鏈路有效調(diào)度器和第一鏈 路主控機都發(fā)生故障，那么第二鏈路主控機可以接管鏈路有效調(diào)度器的職 責。 一旦禁用鏈路有效調(diào)度器，鏈路主控機接管鏈路有效調(diào)度器的職能。每一個裝置具有被稱作V (TN)的唯一地址，其表示本地節(jié)點-ID (This—Node)。在圖1中示出的例子中，LAS 20具有地址V (TN) =20; LM裝置22具有地址V (TN) =22;基礎裝置24具有地址V (TN) =A5;基 礎裝置26具有地址V (TN) =F3;并且基礎裝置28具有地址V (TN) =F5。LAS 20發(fā)送通過令牌(Pass Token) (PT)和探測節(jié)點(Probe Node) (PN)消息至分段12上的全部裝置。如果合適的話，其它裝置(LM裝置 22和基礎裝置24， 26， 28)中的每一個將返回令牌(Return Token) (RT) 和探測響應(Probe Response)消息發(fā)回至LAS 20。每一個基礎裝置24， 26， 28僅需要查看其自有的、由LAS 20發(fā)送的 PT和PN消息。PT和PN消息具有在DLPDU的第二字節(jié)中編碼的指定地址 (DA)。 LAS 20向分段12上的全部裝置一次一個地傳遞令牌(PT)或探 測節(jié)點(PN)。一旦基礎裝置24， 26或28接收到具有等于該裝置的唯一地址(DA=V (TN))的指定地址的PT消息，其將會利用RT信息向LAS 20做出響應。 如果基礎裝置24， 26或28接收到具有DA二 V (TN)的PN DLPDU，則其需要利用PR信息做出響應。來自LAS 20的PT和PN消息的發(fā)送以及向LAS 20的RT和PR消息的 發(fā)送在分段12上生成若干消息，具體的基礎裝置24， 26和28不需要接 收該消息和對該消息采取行動。每一個基礎裝置24， 26和28僅需要響應 向該具體裝置尋址的PT和PN消息。被來自LAS 20向其它裝置尋址的PT 和PN信息、以及從其他裝置向LAS 20尋址的RT和PR信息而經(jīng)常中斷會 產(chǎn)生用以處理這些"妨害中斷"的不應有的(undue)處理時間。對于基 礎裝置24, 26和28， DLPDU過濾可以用于減小基礎裝置不得不處理的中 斷的個數(shù)。另一方面，LAS 20必須處理分段12上的每一個消息。分段12上的全部裝置以Manchester編碼的基帶信號向分段12上發(fā)送 數(shù)據(jù)。利用Manchester編碼，在比特周期的中部，通過從低至高和從高 至低出現(xiàn)的轉(zhuǎn)變來分別表示"0"和"1"。對于現(xiàn)場總線，額定比特時間 是32微秒(ysec)，在16 u sec處出現(xiàn)轉(zhuǎn)變。Manchester編碼規(guī)則已經(jīng) 被擴展至包括兩個附加符號，非數(shù)據(jù)正(N+)和非數(shù)據(jù)負(N-)，其中在 比特周期中不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，并且Manchester編碼的基帶信號保持高(N+) 或低(N-)。通過比如導線或探針的兩個導電元件，診斷工具29被連接至分段12。 診斷工具29的診斷能力之一是當分段12上的被破壞消息的個數(shù)超過被 破壞消息閾值時警告用戶。如將關(guān)于圖4更詳細地描述的，超過被破壞消 息閾值可以指示操作頻率中的噪聲。消息格式圖2示出了用于在分段12上發(fā)送消息的物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PhPDU) 的格式。該PhPDU包括前同步碼，起始分界符(SD)，數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù) 單元(DLPDU)以及結(jié)束分界符(ED)。該前同步碼是PhPDU消息的前若干 個比特?，F(xiàn)場總線規(guī)范允許一至八十個字節(jié)的前同步碼。接收消息的裝置 利用前同步碼來同步輸入的消息。如圖2中所示，前同步碼的第一字節(jié)的序列是10101010。起始分界符(SD)緊隨前同步碼。每一個消息都存在一個SD。現(xiàn)場總 線規(guī)范要求SD具有非字符數(shù)據(jù)(N+和N-)，其通常以互補對的形式出現(xiàn) 在SD消息中。該編碼方案使SD唯一，并且不可能與消息的數(shù)據(jù)部分 (DLPDU)混淆。對于SD在圖2中示出的序列是1 N+ N- 1 0 N- N+ 0。DLPDU是可變長度消息。它包括幀控制(FC)字節(jié)，作為其第一字 節(jié)；以及幀檢驗序列(FCS)檢驗和，作為其最后兩個字節(jié)(下面更詳細 地描述)。DLPDU的長度是可變的，具有最小3個字節(jié)(在RT消息的情況 下)，上至例如大約300字節(jié)的錯誤發(fā)送(jabber)界限。結(jié)束分界符(ED)跟隨DLPDU，它表示在分段12上發(fā)送的任何PhPDU 消息的最后字節(jié)。類似SD， ED包括具有互補對的形式的非字符數(shù)據(jù)。該 編碼方案使ED唯一，并且不可能與DLPDU混淆。對于結(jié)束分界符，在附 圖2中示出的序列是1 N+ N- N+ N- 1 0 1。圖2也示出了載波檢測信號。載波檢測信號的用途是指示何時(a) 輸入的PhPDU消息出現(xiàn)在分段12上，或者(b)裝置向分段12上發(fā)送消 息。在發(fā)送允許(TxE)變?yōu)橛行У臅r刻，也就是當PhPDU消息的前同步碼 首先出現(xiàn)在分段12上時，出現(xiàn)發(fā)送開始(SOT)。在載波檢測信號變?yōu)橛行?，并且已針對至少一個比特時間或兩個比特 時間(近似為16至32usec)穩(wěn)定之后，出現(xiàn)活動開始(SOA)。該時間取決于載波檢測關(guān)于接收消息的裝置的內(nèi)部時鐘何時變?yōu)橛行?。這允許裝 置的通信控制器忽略前同步碼前端處最易于出現(xiàn)的噪聲假信號(glitch)。附加時間用于同步比特邊界，以消除把分段12上的短的噪聲突發(fā)誤認為 是活動的潛在可能。對于被發(fā)送的消息， 一旦發(fā)送允許變成有效(也就是 PhPDU的前同步碼被呈現(xiàn)給分段12)，則出現(xiàn)SOA。在針對接收的信息檢測FC字節(jié)時的第一比特開始時，出現(xiàn)消息開始 (SOM)。S0M—xmt是消息發(fā)送開始，其在針對被發(fā)送消息檢測FC字節(jié)時的第一 比特的開始時出現(xiàn)。SOMf是接收的已過濾DLPDU的S0M。當裝置中的通信控制器已經(jīng)檢測到充分的信息以確定將對輸入的消息進行過濾時，S0M出現(xiàn)。在接收信息中遭遇的ED的最后比特的結(jié)尾處，出現(xiàn)消息結(jié)束(E0M)。 在所發(fā)送的消息的ED的最后比特的結(jié)尾處，出現(xiàn)發(fā)送結(jié)束(E0T)。當載波檢測已經(jīng)變成無效時，出現(xiàn)活動結(jié)束(E0A)。對于發(fā)送和接收 的DLPDU兩者，均出現(xiàn)E0A。診斷工具29圖3是診斷工具29的體系結(jié)構(gòu)的框圖。診斷工具29包括外殼30，液 晶顯示器(LCD) 31，導電元件32和通信板33.通信板33被包含在外殼 30中，并包括介質(zhì)連接單元(MAU) 34，中央處理單元(CPU) 36，以及 通信控制器38。外殼30具有有助于診斷工具29的便攜性的尺寸。例如，外殼30可被 尺寸化為使診斷工具29是手持裝置。LCD 31被包含在外殼30中，以使得診斷工具29的用戶從外部可觀看 該顯示器。LCD 31用于向用戶發(fā)送涉及診斷工具29的操作的信息。通過導電元件32，診斷工具29電連接至分段12。在一個實施例中， 導電元件32是導電的導線或探針。導電元件32從分段12向MAU 34提供 信號。MAU 34是轉(zhuǎn)換來自分段12的信號的收發(fā)機，從而使通信板33上 的硬件可使用該信號。MAU 34是網(wǎng)絡協(xié)議的物理層的一部分，并且可以 是集成電路，或者由分立元件構(gòu)成。CPU 36經(jīng)由通信控制器38連接至MAU 34。 CPU36是基于微處理器的 系統(tǒng)，比如Motorola 681X302， Motorola Mcore 2075， Motorola PowerPC 850， Atmel Thumb processor AT91M40800等等。在一個實施例中，CPU 36 是8位或更高的處理器。通信控制器38是充當MAU 34和CPU 36之間的接口的專用集成電路 (ASIC)芯片。它與連接至分段12的外部模擬電路傳輸已編碼的曼徹斯 特數(shù)據(jù)。在接收來自MAU 34的串行數(shù)據(jù)之后，通信控制器38解碼該數(shù)據(jù)， 將該數(shù)據(jù)形成字節(jié)，剝?nèi)デ巴酱a，SD和ED(以及可選的，F(xiàn)CS字節(jié))， 并對提供鏈接層將要讀取的消息數(shù)據(jù)。診斷工具29的一個能力是用以檢測分段12上的操作頻率中的噪聲的存在。圖4是依據(jù)本發(fā)明的實施例由診斷工具29所使用的用以檢測分段
12的操作頻率中的噪聲的過程的流程圖。該過程可以通過CPU 36運行的 軟件或診斷工具29中的硬件來實現(xiàn)。 一般地，診斷工具29跟蹤分段12 上檢測到的被破壞消息，并且如果檢測到的被破壞消息的個數(shù)超過被破壞 消息閾值，則產(chǎn)生噪聲檢測信號。
為了指示被破壞消息，診斷工具29監(jiān)測分段12上的消息(步驟50)。 在一個實施例中，通過對全部的輸入消息執(zhí)行FCS校驗，通信控制器38 初始化該監(jiān)測過程。該FCS校驗是循環(huán)冗余校驗(CRC)，這是一種用于產(chǎn) 生校驗和以便檢測消息發(fā)送中的錯誤的散列函數(shù)。FCS校驗的結(jié)果被存儲 于DLPDU的最后兩個字節(jié)中。 一旦分段12上的裝置發(fā)送消息，比如來自 LAS 20的PT和PN消息或來自基礎裝置的RT和PR消息，則在發(fā)送之前， 該裝置向消息的結(jié)尾附加FCS校驗的結(jié)果。當診斷工具29檢測該消息時， 通信控制器38對該消息執(zhí)行相同的FCS校驗。通信控制器38對FCS校驗 的結(jié)果與DLPDU的結(jié)尾處的FCS字節(jié)進行比較。如果兩個FCS結(jié)果不匹配， 則該信息在發(fā)送過程中可能已經(jīng)被破壞，并且通信控制器38設置出錯寄 存器，以指示該消息被破壞。
接下來，基于E0A的檢測，通信控制器38產(chǎn)生中斷，當載波已經(jīng)變得 無效時，出現(xiàn)E0A。由于EOA表示接收消息的最后處理，在該點處產(chǎn)生中 斷，允許該消息的意向接收方裝置和診斷工具29首先處理該消息。該中 斷強迫CPU 36針對消息是否被破壞的指示而檢查通信控制器38的出錯寄 存器。
基于被破壞消息的檢測(步驟52)， CPU 36更新存儲于通信控制器38 的寄存器中的被破壞消息計數(shù)(步驟54)。在一個實施例中，被破壞消息 計數(shù)涉及通信控制器接收的被破壞消息的總數(shù)。在另一實施例中，被破壞 消息計數(shù)涉及在某個時間段中接收的被破壞消息的個數(shù)。在又一實施例 中，被破壞消息計數(shù)涉及從CPU 36所維護的在網(wǎng)絡上有效通信的裝置的
列表中移除的裝置。例如，如果由于失去與裝置的通信而移除列表上的裝 置，這可以表示網(wǎng)絡操作頻率中的噪聲。在又一實施例中，被破壞消息計 數(shù)涉及失效數(shù)據(jù)塊計數(shù)。失效數(shù)據(jù)塊是數(shù)據(jù)在多次執(zhí)行后不發(fā)生改變的時 間段。CPU 36維持被稱作被破壞消息閾值的數(shù)據(jù)字段，該被破壞消息閾值被 存儲于通信控制器38中。被破壞消息閾值是這樣的點在該點處，用戶
開始看到分段12上過多的被破壞消息的次級故障現(xiàn)象(symptom),比如 與裝置失去通信。在一個實施例中，被破壞消息閾值表示在次級故障現(xiàn)象
(比如失去通信)之前某個時間段中可允許的被破壞消息的最大個數(shù)，。 在另一實施例中，被破壞消息閾值表示在出現(xiàn)次級故障現(xiàn)象之前，在分段 12上的消息總數(shù)中可允許的被破壞消息的最大個數(shù)。CPU 36對被破壞消 息計數(shù)與閾值進行比較，以確定是否已經(jīng)超過閾值(步驟56)。
當被破壞消息的個數(shù)超過被破壞消息閾值時，分段12的操作頻率中的 噪聲可能是破壞消息。此外，如果某個時間段中檢測到的被破壞消息的個 數(shù)大于消息的個數(shù)，則單獨的裝置可以在該時間段中發(fā)送，這可以表示分 段12上的條件導致來自和去往多個裝置的消息被破壞。根據(jù)該指示，可 以推斷分段12的操作頻率中的噪聲正在破壞消息。這也消除了被破壞消 息的另一誘因的可能性，比如被破壞消息由有缺陷的裝置發(fā)送。
如果超過被破壞消息閾值，CPU 36產(chǎn)生噪聲檢測信號(步驟58)。在 一個實施例中，噪聲檢測信號是去往LCD 31的信號，以產(chǎn)生可視輸出， 該可視輸出警告用戶存在被網(wǎng)絡的操作頻率中的噪聲所破壞的消息。在另 一實施例中，診斷工具29發(fā)射可聽到的警報，以警告用戶存在被網(wǎng)絡的 操作頻率中的噪聲所破壞的消息。
總之，通信介質(zhì)上的消息有時由于網(wǎng)絡的操作頻率中的噪聲而被破壞。 本發(fā)明是一種用于檢測通信介質(zhì)的操作頻率中的噪聲的方法。當從通信介 質(zhì)接收消息時，檢測被破壞的消息。當檢測到的被破壞消息的個數(shù)達到被 破壞消息閾值時，產(chǎn)生噪聲檢測信號。
盡管參照優(yōu)選實施例己經(jīng)描述了本發(fā)明，本領域熟練技術(shù)人員將認識 到，可以進行形式和細節(jié)的改變，只要不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1、一種用于檢測通信介質(zhì)的操作頻率中的噪聲的方法，所述方法包括針對被破壞的消息，監(jiān)測所述通信介質(zhì)上的消息；以及當被破壞消息的個數(shù)達到被破壞消息閾值時，產(chǎn)生噪聲檢測信號。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，被破壞消息閾值涉及某個時間 段中檢測到的被破壞消息的個數(shù)。
3、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，被破壞消息閾值是檢測到的被 破壞消息的個數(shù)與所述通信介質(zhì)上的全部消息的比率。
4、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，被破壞消息閾值涉及失效數(shù)據(jù) 塊計數(shù)。
5、 一種用于檢測通信介質(zhì)的操作頻率中的噪聲的方法，所述方法包括檢測所述通信介質(zhì)上的被破壞消息； 當檢測到被破壞消息時，更新被破壞消息計數(shù)；以及 當被破壞消息計數(shù)達到被破壞消息閾值時，產(chǎn)生噪聲檢測信號。
6、 如權(quán)利要求5所述的方法，其中，檢測所述通信介質(zhì)上的被破壞 消息的步驟包括對所述通信介質(zhì)上出現(xiàn)被破壞消息時所產(chǎn)生的中斷信號 進行處理。
7、 如權(quán)利要求5所述的方法，其中，被破壞消息閾值涉及某個時間 段中檢測到的被破壞消息的個數(shù)。
8、 如權(quán)利要求5所述的方法，其中，被破壞消息閾值是所產(chǎn)生的被破壞消息信號的個數(shù)與所述通信介質(zhì)上的全部消息的比率。
9、 如權(quán)利要求5所述的方法，其中，被破壞消息閾值涉及失效數(shù)據(jù) 塊計數(shù)。
10、 一種用于連接至通信介質(zhì)的診斷工具，所述診斷工具包括 多個導電元件，將所述診斷工具連接至所述通信介質(zhì)； 介質(zhì)連接單元(MAU)，可操作用于經(jīng)由所述導電元件而接收來自所述通信介質(zhì)的信號；以及連接至MAU的處理器，可操作用于針對被破壞消息而監(jiān)測所述通信介 質(zhì)上的消息，而且當被破壞消息的個數(shù)達到被破壞消息閾值時產(chǎn)生噪聲檢 測輸出。
11、 如權(quán)利要求io所述的診斷工具，其中，被破壞消息閾值涉及某個時間段中被破壞消息的個數(shù)。
12、 如權(quán)利要求IO所述的診斷工具，其中，被破壞消息閾值是所產(chǎn) 生的被破壞消息信號的個數(shù)與所述通信介質(zhì)上的全部消息的比率。
13、 如權(quán)利要求10所述的方法，其中，被破壞消息閾值涉及失效數(shù)據(jù)塊計數(shù)。
全文摘要
檢測通信介質(zhì)的操作頻率中的噪聲。針對被破壞消息，監(jiān)測通信介質(zhì)上的消息。當所檢測到的被破壞消息的個數(shù)達到被破壞消息閾值時，產(chǎn)生噪聲檢測信號。
文檔編號H04Q7/24GK101317158SQ200680044479
公開日2008年12月3日 申請日期2006年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月29日
發(fā)明者史蒂芬·A·杰林斯基, 安東尼·D·弗格森 申請人:費希爾-羅斯蒙德系統(tǒng)公司